Derivaatta

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Derivaatta tarkoittaa matematiikassa reaaliarvoja saavan funktion herkkyyttä muutokselle yhden sen riippumattoman muuttujan suhteen. Derivaatta on matemaattisen analyysin peruskäsitteitä. Se johdetaan funktion tietyn välin keskimääräisestä muutosnopeudesta, jonka arvosta määritetään raja-arvon avulla muutosnopeus yhdessä kohtaa. Sanaa derivaatta käytetään Suomessa sekä funktion derivaatan arvon että sen derivaattafunktion synonyyminä.[1][2]

Jos rajoitutaan yhden muuttujan funktioihin, voidaan muutosnopeuden keskiarvoa kuvata funktion kuvaajan keskimääräiseksi jyrkkyydeksi. Sitä havainnollistetaan esimerkiksi Suomen lukioiden matematiikan oppimäärissä kuvaajan sekantilla (keskimääräinen muutosnopeus), jonka kulmakerroin on kyseisellä välillä funktion jyrkkyyksien likiarvo. Mitä pienempi on sekantin rajaama väli, sitä paremmin sen jyrkkyys vastaa funktion kuvaajan jyrkkyyksiä kyseisellä välillä. Lopulta, kun väliä pienennetään raja-arvon avulla pisteeksi, saadaan derivaatta (muutosnopeus yhdessä kohdassa). Sitä havainnollistetaan yleensä tangentilla, jonka kulmakerroin on derivaatan arvon suuruinen.[1][2]

Yhden muuttujan derivaatta voidaan yleistää usean muuttujan funktioille, jossa sitä kutsutaan funktion differentiaaliksi, mutta termiä differentiaali voidaan käyttää myös yhden muuttujan funktioille.[3] Differentiaali on funktion kokonaismuutoksen lineaarinen osa, joka esitetään usean muuttujan funktioiden tapauksessa Jacobin matriisin avulla.[4].

Yhden reaalimuuttujan funktiot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sekantin asennon kääntyminen tangentiksi.

Määritelmä kahden kohdan avulla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yhden reaalimuuttujan funktion derivaatan formaalinen määritelmä käyttää aina hyväkseen sen muutosnopeuden raja-arvoa. Seuraavassa funktion muutosnopeutta ilmaistaan sen erotusosamäärällä käyttäen valitun välin päätepisteitä ja

Merkinnällä tarkoitetaan suureen arvojen muutosta tai erotusta . Välin jälkimmäistä päätepistettä siirretään lähemmäksi välin ensimmäistä päätepistettä . Tämä merkitään raja-arvon arvolla

[4]

Tällöin voidaan sanoa (jos raja-arvo on olemassa), että funktiolla on derivaatan arvo kohdassa , joka merkitään tavallisesti . [5][2]

Määritelmä välin pituuden avulla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Erotusosamäärä ja sekantti.

Toisessa yleisessä määritelmässä erotusosamäärä muodostetaan pisteiden ja avulla, missä luku on pisteiden välinen etäisyys. Sijoittamalla tämä erotusosamäärään saadaan

Nyt väliä voidaan raja-arvossa pienentää pienentämällä lukua , jolloin saadaan (mikäli raja-arvo on olemassa) derivaatan arvo pisteessä

[1][2]

Funktion kulun tarkastelu[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Derivaattafunktion avulla saadaan selville sellaiset kohdat, joissa alkuperäinen funktio mahdollisesti muuttaa kulkusuuntaansa. Näissä kohdissa derivaattafunktion arvo on nolla (eli funktion kulmakerroin on 0). Derivaattafunktion merkki - ja funktion kulkusuunta - voi vaihtua vain derivaatan nollakohdassa. [6] Mikäli tällaisia kohtia ei ole, on funktio aidosti kasvava tai aidosti vähenevä.

Esimerkiksi kolmannen asteen funktio derivoituu sääntöjen mukaisesti muotoon . Laskemalla derivaattafunktion nollakohdat, jotka ovat ja saadaan selville kohdat joissa alkuperäinen funktio todennäköisesti vaihtaa kulkusuuntaansa. Lasketaan derivaatan arvo kunkin nollakohdan kummallakin puolella, esimerkiksi pisteissä -2, 0 ja 2. Jos saatu arvo on negatiivinen, on funktion kuvaaja laskeva, jos positiivinen, on funktion kuvaaja nouseva.

Funktion kulkukaavio
-5/3 1
+ - +
nouseva laskeva nouseva

Mikäli funktion kulkua tarkasteltaisiin suljetulla välillä , huomattaisiin, että funktio saisi suurimman ja pienimmän arvonsa kyseisissä derivaatan nollakohdissa. Nämä kohdat ja ovat funktion paikallisia maksimi- ja minimikohtia. Funktiolla ei kuitenkaan ole suurinta tai pienintä arvoa, kun tarkasteluvälinä on koko reaaliakseli, koska sen arvojoukko on negatiivisesta äärettömyydestä positiiviseen äärettömyyteen.

Derivaatan olemassaolo[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Derivaatta on olemassa pisteessä , mikäli erotusosamäärän raja-arvo on äärellinen ja se voidaan määrittää yksikäsitteisesti. Käyttämällä hyväksi toispuoleisen derivaatan käsitteitä, voidaan derivaatan olemassaolo ilmaista niin, että sekä vasemmanpuoleisen että oikeanpuoleisen derivaatan tulee olla olemassa ja niiden arvojen tulisi olla yhtä suuret.[4][7][8]

Vaikeasti käyttäytyvillä funktioilla ei riitä erotusosamäärän raja-arvon intuitiivinen sievennys, vaan tarvitaan täsmällisempi matemaattinen määritelmä. Sellainen on esimerkiksi

.

Toisin sanoen kaikille ehdotetuille luvuille löytyy siitä riippuva luku siten, että erotusosamäärän arvot ovat alle :in päässä raja-arvosta eli derivaatan arvosta, kun muuttujan arvot ovat alle :n päässä lähestyttävästä arvosta. Mikäli aina lukua pienennettäessä, löytyy edellistä pienempi , voidaan pitää osoitettuna, että raja-arvo tulee löytymään.

Yhden muuttujan derivaattafunktio[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Derivaattafunktio tarkoittaa sellaista lauseketta, jolla voi laskea funktion derivaatan arvon kyseisessä kohdassa ilman raja-arvon määritystä. Tällaisen funktion määrittämistä kutsutaan derivoimiseksi. Derivointifunktiota kutsutaan yleisesti myös derivaataksi. Derivaattafunktion määrittelyjoukko voi olla sama kuin funktion määrittelyjoukko, mutta toisinaan se on suppeampi väli.

Määritetään funktion derivaattafunktio missä funktion määrittelyjoukon pisteessä hyvänsä. Niissä pisteissä, missä raja-arvo on määritelty, saadaan derivaattafunktioksi (käytetään toista määritelmää)

[2]

Tämän derivaattafunktion määrittelyjoukko saadaan, kun raja-arvon kannalta määrittelemättömät kohdat jätetään funktion määrittelyjoukosta pois.[2]

Esimerkiksi funktion derivaattafunktio määritetään seuraavasti. Merkitään lausekkeet erotusosamäärään ja määritetään raja-arvo:

Lausekkeella voi helposti laskea funktion derivaatan arvojailman, että raja-arvoa tarvitsee enää määrittää.[4]

Tilanteita, jossa derivaatan arvoa ei voi funktion määrittelyalueelta määrittää, liittyvät esimerkiksi funktion liian suureen jyrkkyyteen. Silloin funktion kuvaajalle piirretty tangentti on pystysuora, jolle ei ole määritelty kulmakerrointa. Jos derivaatta voidaan määrittä kaikissa muissa funktion määrittelyjoukon kohdissa, muodostuu tästä derivaattafunktion määrittelyjoukko. Laajin väli, missä derivaatta on mielekästä määrittää, on funktion oma määrittelyjoukko.[2]

Derivaatta-operaattori ja muita merkintätapoja[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Operaattoria, jolla funktion derivoinnin aikomus ilmaistaan, merkitään derivaatta-operaattorilla. Suomenkin lukiokoulutuksessa on yleisesti käytössä iso D-kirjain. Edellisen esimerkin derivointia merkitään sillä

[1]

Toinen yleinen merkintä "pilkku"-merkintä, jossa funktion derivaattafunktiota merkitään

Siinä oletetaan, että lukija tuntee muuttujan, jonka suhteen derivointi suoritetaan. Tämän vuoksi sitä käytetään pääasiassa yhden muuttujan derivoinnissa. Mikäli muuttujana on aika (merkitään t), kuten fysiikassa on yleistä, käytetään "piste"-merkintää

[1]

Useamman muuttujan funktioissa voidaan suorittaa derivointi yhdelle muuttujalle, joka tulee ilmoittaa lukijalle alaindeksinä tai uudella merkinnällä

Merkinnät ja tarkoittavat suureiden ja differenssejä ja nimittäjästä voidaan päätellä, minkä muuttujan suhteen derivointi suoritetaan.[1]

Derivaatan arvo jossakin kohdassa merkitään vastaavasti , , tai

Moninkertaiset derivaatat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kun funktion :n derivaattafunktio on myös derivoituva, voidaan funktiota kutsutaan kahdesti derivoituvaksi. Kahdesti derivoitu funktio eli toinen derivaatta määritetään

[1]

ja merkitään , tai . Derivaattafunktioiden derivaattoja tarvitaan monissa sovelluksissa. Silloin voidaan yleistää, että jos :n :s derivaattafunktio on derivoituva, niin funktio on kertaa derivoituva, ja sen :ttä derivaattaa merkitään , tai . [1][9][10]

Jos funktion (:s) derivaatta on olemassa ja jatkuva, niin funktion sanotaan olevan ( kertaa) jatkuvasti derivoituva. Mikäli funktion :s derivaattafunktio on olemassa ja jatkuva, sanotaan, että funktio on -funktio. Jos funktio on äärettömän monta kertaa derivoituva ja sen jokainen derivaattafunktio on jatkuva, niin funktion sanotaan olevan -funktio.lähde?

Eräiden alkeisfunktioiden derivointia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Seuraavassa luettelossa on eräiden alkeisfunktioiden derivaattojen muistikaavoja. Siinä ei oteta kantaa funktion ja derivaatan määrittelyjoukkoihin.

Potenssin derivaatta Trigonometristen funktioiden derivaatat Arkusfunktioiden derivaatat
, missä
[2]
Eksponenttifunktion derivaatta Hyperbolisten funktioiden derivaatat Hyperbolisten käänteisfunktioiden derivaatat
, missä
Logaritmifunktioiden derivaatat
, missä ja

Potenssin derivaattafunktio voidaan määrittää derivaatan määritelmän mukaan

jolloin potenssifunktiolle saadaan

Koska

,

missä vastaa kunkin termin binomikerrointa (erityisesti ja ), voidaan erotusosamäärä kirjoittaa

[9]

Tämän todistuksen ja summaussäännön perusteella voidaan helposti todistaa polynomifunktion derivaatta.

Yleisiä derivointisääntöjä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mikäli funktio on alkeisfunktioiden yhdistelmä, kuten niiden summa, erotus, tulo, osamäärä tai yhdistelmä, voidaan niitä derivoida.seuraavien sääntöjen puitteissa.

Säännön nimi Derivointisääntö
Vakion derivaatta , kun on vakio.[4]
Vakion siirto [1][4]
Summan derivaatta [1][9][4]
Tulon derivaatta [1][11][12][4]
Funktion potenssin derivaatta [11][13]
Osamäärän derivaatta [13][12][4]
Yhdistetyn funktion derivaatta [4]
Käänteisfunktion derivaatta , jossa on :n käänteisfunktio.[4]

Vakiofunktion derivointi voidaan suorittaa määritelmän kautta seuraavasti:

Yhden kompleksimuuttujan funktiot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jos merkitään kompleksilukujen muuttujia , ja tietyssä alueessa G (sisältää luvun ) määriteltyä kompleksifunktiota , pystytään joskus määrittämään funktion derivaatta.

Holomorfinen funktio[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Derivaatta on olemassa, mikäli toteuttaa Cauchyn–Riemannin yhtälöt [14] ja sen osittaisderivaatat ovat pisteen ympäristössä G jatkuvat. Tällaisia kompleksifunktioita kutsutaan holomorfisiksi funktioiksi. Silloin raja-arvo

[15]

voidaan määrittää yksikäsitteisesti.[16]

Derivaatan olemassaolon toteaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Esimerkiksi toisen asteen kompleksifunktio voidaan kirjoittaa auki

Derivaatan olemassaolo voidaan todeta muodostamalla funktion reaali- ja imaginaariosien osittaisderivaatat [14][17]

ja

Koska saadut osittaisderivaatat ovat polynomeina jatkuvia ja ne toteuttavat Cauchyn–Riemannin yhtälöt

ja

on funktio derivoituva.[14]

Kompleksifunktioiden derivointikaavat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kompleksisten alkeisfunktioiden derivointisäännöt ja yleiset derivointisäännöt säilyvät samanlaisina kuin reaalimuuttujaisilla alkeisfunktioilla.

Usean muuttujan funktiot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yhden muuttujan funktion derivointi voidaan yleistää vektoriarvoisen muuttujan vektoriarvoiseen funktion derivaattaan. Vektorilla voidaan esittää useamman muuttujan funktion määrittelyjoukkoa. Funktion kuvaus on tällöin . Vektoreissa voidaan käyttää myös kompleksimuuttujia. Derivaatta määritellään tällaisilla funktioilla luonnollisella tavalla.

Osittaisderivaatta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Reaaliarvoisille usean muuttujan funktiolle voidaan määritellä osittaisderivaatta, joka on tavallinen derivaatta yhden muuttujansa suhteen. Osittaisderivoitaessa yhtä muuttujaa, muita muuttujia kohdellaan kuin vakioita. Sitä käytetään, kun halutaan tietää yhden muuttujan muutoksen vaikutus funktion arvoihin.[17]

Suunnattu derivaatta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Reaaliarvoisille usean muuttujan funktiolle voidaan määritellä suunnattu derivaatta, joka on tavallinen derivaatta yhdessä pisteessä halutussa suunnassa. Kussakin määrittelyjoukon pisteessä voidaan funktiolle määrittää suunnattu derivaatta äärettömän moneen eri suuntaan. Erisuuntaiset derivaatat ovat arvoltaan usein erisuuruisia. Ne voidaan laskea kätevästi käyttäen gradienttia. Sunnatulla derivaatalle voidaan määrittää myös toispuoleinen derivaatta.[18]

Sovelluksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Esimerkki derivoidusta paraabelista.

Derivointi on hyödyllinen matemaattinen apuneuvo myös teknisissä tieteissä. Seuraavassa yksinkertainen esimerkki derivaatan käytöstä fysiikassa. Oletetaan, että halutaan selvittää vaikkapa putoamiskiihtyvyys , kun mitataan putoavan pallon putoama matka ajan funktiona. Tiedetään, että matka voidaan ilmaista

ja nopeus on matkan derivaatta ajan suhteen

mistä edelleen kiihtyvyys on nopeuden derivaatta ajan suhteen. Toisin sanoen siis matkan toinen derivaatta:

Kun mitattu etäisyys derivoidaan ajan suhteen numeerisesti, saadaan kiihtyvyys. Ajan suhteen derivoitaessa saatetaan joskus myös käyttää derivaatan merkkinä pistettä derivoitavan suureen päällä ja .

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aluksi tutkittiin suureiden muuttumista kun muuttujien arvoa muutettiin. Suureen muutosnopeuden arvo riippui käytettävästä muuttujan arvon muutossuuruudesta ja se saatiin sitä paremmaksi, mitä pienempi oli muutujan muutosväli. Käyttöön otettiin infinitesimaalin käsite. Se vastasi ”pienintä mahdollista muutosta” suureen arvossa. Derivaatta määritettiin siksi funktion arvon muutosnopeudeksi, kun muuttuja muuttui vain infinitesimaalisen vähän. Infinitesimaalit on 1900-luvulta asti korvattu raja-arvon käsitteellä, jossa muutosnopeuden keskiarvo on annetulla välillä korvattu erotusosamäärällä. Kun annettua väliä pienennetään rajatta, saadaan derivaatan arvo erotusosamäärän raja-arvona.[1][2]

Derivaatan käsitteen esittivät ensimmäisenä Isaac Newton ja Gottfried Leibniz 1600-luvulla. Sanan derivaatta (johdos) otti käyttöön Joseph-Louis Lagrange 1700-luvun lopulla.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c d e f g h i j k l Weisstein, Eric W.: Derivative (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  2. a b c d e f g h i Alatupa, Sami & al.: Pitkä Sigma 7, s.70−79
  3. Pitkäranta, Juhani: Calculus Fennicus. TKK:n 1. ensimmäisen lukuvuoden laaja matematiikka. Helsinki: Avoimet oppimateriaalit ry. ISBN 978-952-7010-12-9 (painettu) ISBN 978-952-7010-13-6 (pdf).
  4. a b c d e f g h i j k Hurri-Syrjänen, Ritva: Differentiaali- ja integraalilaskenta I (luentomoniste), 1999, s.46-51
  5. Richard Courant & Fritz John: Introduction to Calculus and Analysis 1, s. 158. Springer. ISBN 3-540-65058-X. (englanniksi)
  6. Kulkukaavion tekeminen
  7. Alatupa, Sami & al.: Pitkä Sigma 7, s. 188-192
  8. Kontkanen, Pekka & Lehtonen, Jukka & Luosto, Kerkko: Pyramidi 13 - Differentiaali- ja integraalilaskennan jatkokurssi, s. 42-46. (lukion pitkän matematiikan oppikirja). Helsinki: Tammi. ISBN 978-951-26-5407-9.
  9. a b c Alatupa, Sami & al.: Pitkä Sigma 7, s.83-92
  10. Hurri-Syrjänen, Ritva: Differentiaali- ja integraalilaskenta I (luentomoniste), 1999, s.51-53
  11. a b Alatupa, Sami & al.: Pitkä Sigma 7, s.97-102
  12. a b Alatupa, Sami & al.: Pitkä Sigma 7, s.178-179
  13. a b Alatupa, Sami & al.: Pitkä Sigma 7, s.107-114
  14. a b c Weisstein, Eric W.: Cauchy-Riemann Equations (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  15. Weisstein, Eric W.: Complex Differentiable (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  16. Weisstein, Eric W.: Complex Derivative (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  17. a b Weisstein, Eric W.: Partial Derivative (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)
  18. Weisstein, Eric W.: Directional Derivative (Math World - A Wolfram Web Resource) Wolfram Research. (englanniksi)


Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Derivaatta.